耿 佩，黨 杰，楊建東，馬 晶，張國(guó)生

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

1 擺動(dòng)輾壓工藝原理

圖1 擺動(dòng)輾壓成形工藝原理

擺動(dòng)輾壓成形工藝，簡(jiǎn)稱擺輾，是一種局部施壓的連續(xù)塑性成形技術(shù)，具有省力、零件尺寸精度高、噪聲小、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，正在逐步取代傳統(tǒng)鍛壓加工中工具與坯料間斷續(xù)（沖擊式）、整體式接觸施壓方式[1]，因此可以實(shí)現(xiàn)小噸位設(shè)備成形大鍛件，且可使成形件精度及對(duì)復(fù)雜形狀零件的實(shí)用性、勞動(dòng)條件等得到較大改善。尤其是齒輪類零件，不僅內(nèi)部和表面成形質(zhì)量好，且生產(chǎn)效率逐漸提升。

擺動(dòng)輾壓成形工藝原理如圖1a所示，成形上模安裝在擺頭上，模具中心線OO′與擺輾機(jī)機(jī)身軸線OZ存在夾角γ，稱為擺角，擺頭以 O點(diǎn)為中心可以圍繞機(jī)身軸線OZ做軌跡運(yùn)動(dòng)。擺輾成形時(shí)，油缸推動(dòng)滑塊將工件向上進(jìn)給，擺頭帶動(dòng)上模具沿工件上表面擺動(dòng)，使工件產(chǎn)生局部塑性變形，上模具與工件局部接觸面積如圖1b所示，隨著油缸的進(jìn)給以及擺頭上模具的施壓，工件由局部變形累積為整體成形[2]。

擺動(dòng)輾壓工藝適合加工外形復(fù)雜的零件，尤其那些用普通鍛造方法難以成形的帶桿的薄法蘭盤(pán)狀零件，法蘭部分越薄越能顯示出擺動(dòng)輾壓加工工藝的優(yōu)勢(shì)，例如，可將法蘭盤(pán)的厚度輾壓至0.5mm[3]。而若采用普通模鍛工藝成形薄法蘭件，會(huì)出現(xiàn)成形力不足，法蘭局部充不滿等現(xiàn)象。擺輾成型模具的設(shè)計(jì)與制造也相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝方便，成形產(chǎn)生的飛邊也可通過(guò)后期切邊工藝去除，還可實(shí)現(xiàn)擺輾精密成形工藝，無(wú)需或需少量后期機(jī)加工。

表1 波蘭PXW型擺輾機(jī)技術(shù)參數(shù)

用于擺輾成形的設(shè)備是擺輾機(jī)，擺輾機(jī)的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用一直是擺輾工藝發(fā)展的研究重點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于擺輾機(jī)的設(shè)計(jì)、更新、改進(jìn)及生產(chǎn)應(yīng)用也是日趨增多。

2 國(guó)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

擺動(dòng)輾壓成形技術(shù)，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代，但真正進(jìn)入實(shí)用階段是在20世紀(jì)60年代。本技術(shù)自出現(xiàn)以來(lái)，受到世界各國(guó)的高度重視。目前世界上積極研究制造擺輾機(jī)及其生產(chǎn)工藝的廠商主要有瑞士的Schmid公司，波蘭華沙第一自動(dòng)化壓力機(jī)制造廠，英國(guó)馬賽公司和曼徹斯特理工學(xué)院，日本名古屋國(guó)立工業(yè)研究所和森鐵工株式會(huì)社，俄羅斯全俄冶金設(shè)備設(shè)計(jì)研究院以及美國(guó)等。

波蘭華沙工業(yè)大學(xué)馬爾辛尼克教授于20世紀(jì)60年代后期發(fā)明了PXW型擺輾機(jī)，并由華沙第一自動(dòng)壓力機(jī)制造廠生產(chǎn)。PXW型機(jī)擺頭具有4種運(yùn)動(dòng)軌跡，擺頭運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)直線、圓形、螺旋線和多葉玫瑰線四種曲線。不同的運(yùn)動(dòng)軌跡可實(shí)現(xiàn)成形不同類型產(chǎn)品，在該機(jī)上可加工各種形狀復(fù)雜的零件。大量生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)已證明PXW型機(jī)是一種實(shí)用可靠的擺輾機(jī)。與其他國(guó)家相比，其價(jià)格也相對(duì)便宜。波蘭擺輾機(jī)不足之處在于設(shè)備更新?lián)Q代慢、自動(dòng)化程度低、電氣控制簡(jiǎn)易、噸位小等.。該廠為使擺輾機(jī)系列化生產(chǎn)，已在原有機(jī)型生產(chǎn)的基礎(chǔ)上新設(shè)計(jì)了2500、6300kN等2種規(guī)格的擺輾機(jī)。圖2是波蘭PXW型擺輾機(jī)生產(chǎn)的冷擺碾成形件。

日本森鐵工株式會(huì)社（MORI）在1990年成功制造第一臺(tái)具有3種擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡的擺輾機(jī)，在此期間還生產(chǎn)了不少擺輾鉚接機(jī)。從1993年開(kāi)始，森鐵工株式會(huì)社率先向我國(guó)推銷該廠制造的生產(chǎn)用擺輾機(jī)。目前已制造出3500、2500、6500kN各一臺(tái)，4000kN擺輾機(jī)2臺(tái)。森鐵工株式會(huì)社已成為當(dāng)今日本生產(chǎn)擺輾機(jī)的主力廠家。其設(shè)備特點(diǎn)是機(jī)架剛性好，穩(wěn)定性高；機(jī)架精選優(yōu)質(zhì)鋼材焊接，滑塊采用4根方形導(dǎo)柱，以防止工作時(shí)機(jī)身晃動(dòng)；擺頭轉(zhuǎn)動(dòng)軸承加大，桿部加長(zhǎng)，滑動(dòng)軸承半球面高頻淬火，凹面堆焊5mm厚的軟鋁銅合金，軸承滑動(dòng)表面通以高壓油潤(rùn)滑，以延長(zhǎng)擺頭關(guān)鍵部件的壽命；提高擺頭擺動(dòng)速度，達(dá)到500r/min，以提高生產(chǎn)率。圖3是日本擺輾機(jī)生產(chǎn)的冷擺碾成形件。

圖2 波蘭生產(chǎn)的冷擺碾成形件

圖3 日本生產(chǎn)的冷擺碾成形件

德國(guó)瓦格納公司于1985年首次將自主研發(fā)的AGW400型擺輾機(jī)投放市場(chǎng)，該機(jī)具有自動(dòng)上料和卸料裝置[4]。德國(guó)研究人員Sao Paolb和Bragil在美國(guó)最早應(yīng)用該機(jī)生產(chǎn)焊接法蘭盤(pán)。截止1991年，瓦格納公司銷往世界各國(guó)的擺輾機(jī)達(dá)400多臺(tái)。

AGW型擺輾機(jī)大體分以下幾個(gè)部件：上模和下模旋轉(zhuǎn)裝置、機(jī)身和立柱、液壓系統(tǒng)（包括進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）、頂出機(jī)構(gòu)、冷卻潤(rùn)滑裝置和控制系統(tǒng)。其中，下模旋轉(zhuǎn)裝置中有液壓定出裝置，因此擺輾成形時(shí)模鍛斜度非常小，甚至為0。擺輾件精度高，節(jié)約原材料。對(duì)于要求較高的不允許表面有劃痕的擺輾件，常常采用頂料環(huán)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大頂件力的作用面積，即將頂料桿設(shè)計(jì)成圓環(huán)截面的圓筒形。

瑞士的擺輾機(jī)設(shè)計(jì)是從20世紀(jì)70年代開(kāi)始的。瑞士Schmid公司生產(chǎn)有T-200型、T-400型、T-630型3種擺輾機(jī)，并已銷往德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、日本、匈牙利等國(guó)100余臺(tái)。Schmid公司所生產(chǎn)的擺輾機(jī)系列主要適用于冷擺輾。與波蘭的PXW型擺輾機(jī)相比，其自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化程度高、精度高、微機(jī)控制、操作方便，但價(jià)格相對(duì)較高。根據(jù)Schmid公司的調(diào)查表明，該公司到目前為止售出的100多臺(tái)擺輾機(jī)，每年所生產(chǎn)的零件達(dá)5000萬(wàn)件以上，并認(rèn)為這僅是可用擺輾方法生產(chǎn)的零件的潛在市場(chǎng)的1/20，由此可見(jiàn)其發(fā)展的前景[5]。目前國(guó)內(nèi)某些單位也陸續(xù)在購(gòu)買(mǎi)該公司生產(chǎn)的擺輾機(jī)。圖4是用瑞士T-630型擺輾機(jī)生產(chǎn)的冷擺輾成形件。

3 國(guó)內(nèi)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1972年上海電機(jī)鍛造廠研制出1600kN擺輾機(jī)，主要生產(chǎn)汽車半軸鍛坯，這是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)擺輾機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工制造，維修方便，擺輾動(dòng)作易于實(shí)現(xiàn)。由于是滾動(dòng)摩擦，在正常情況下功率消耗不大，其缺點(diǎn)是工作不太穩(wěn)定。

20世紀(jì)70年代初，上海機(jī)械制造工藝研究所和武漢汽車齒輪廠等單位先后研制出小型擺輾機(jī)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和哈爾濱齒輪廠、清華大學(xué)和北京工具廠、上海機(jī)械制造工藝研究所和上海新華軸承廠，以及天津鍛造廠、北京第二汽車廠等不少單位開(kāi)展擺輾技術(shù)研究。中國(guó)兵器工業(yè)第五九所（以下簡(jiǎn)稱“五九所”）1984年引進(jìn)波蘭PXWP-100C擺輾機(jī)，著手研究擺輾機(jī)的傳動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)及零部件，設(shè)計(jì)制造了6300kN擺輾機(jī)，對(duì)大型汽車同步環(huán)、大型被動(dòng)螺旋錐齒輪、兵器零件及其他產(chǎn)品進(jìn)行冷擺輾成形。1994年投料制作，是我國(guó)第一次涉足制造具有四種運(yùn)動(dòng)軌跡的擺輾機(jī)。

江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司購(gòu)買(mǎi)了3臺(tái)瑞士Schmid公司產(chǎn)的擺輾機(jī)。該公司在擺輾復(fù)合精密成形技術(shù)應(yīng)用和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域也取得了重大突破，許多科技成果在該公司實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)化。圖5是中國(guó)昆山精密模具導(dǎo)向件公司生產(chǎn)的冷擺輾成形件，圖6是江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司生產(chǎn)的汽車差速器半軸錐齒輪。

圖5 中國(guó)昆山精密模具導(dǎo)向件公司生產(chǎn)的冷擺輾成形件

圖6 江蘇太平洋精鍛生產(chǎn)的汽車差速器

圖7 半軸錐齒轉(zhuǎn)向齒圈冷擺輾成形件

1996年10月，五九所利用擺輾技術(shù)成功加工出轉(zhuǎn)向齒圈軍工零件（圖7），且一次擺輾成形。該零件材料為40Cr鋼，加工硬化嚴(yán)重，選用普通模鍛工藝加工困難，利用擺輾技術(shù)成形，生產(chǎn)率提高10倍多，材料利用率提高 110%。江西理工大學(xué)2004年開(kāi)始進(jìn)行擺輾成形過(guò)程有限元模擬研究，2007年進(jìn)行了擺輾成形工藝CAD系統(tǒng)的研制，他們以某零件研究為對(duì)象，建立了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型和力學(xué)分析模型，并給出了擺輾工藝參數(shù)和力能參數(shù)的設(shè)計(jì)模型。

2010年，華中科技大學(xué)與武漢理工大學(xué)基于直齒錐齒輪和螺旋錐齒輪三維實(shí)體幾何模型、三維塑性變形有限元力學(xué)模型，借助DEFORM-3D分析軟件，分析了錐齒輪冷擺輾成形過(guò)程，探究了各工藝參數(shù)對(duì)錐齒輪冷擺輾成形中力能參數(shù)、金屬流動(dòng)和鍛件損傷因子值分布的影響規(guī)律，揭示了錐齒輪冷擺輾精密成形機(jī)制和規(guī)律有限元模擬模型。

4 研究發(fā)展趨勢(shì)

擺輾成形工藝的發(fā)展方興未艾。前期，其研究重點(diǎn)主要集中在擺輾機(jī)設(shè)備的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)應(yīng)用，且設(shè)備類型單一，能生產(chǎn)的鍛件產(chǎn)品種類較少。本文認(rèn)為，擺輾成形工藝未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及研究重點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）改進(jìn)擺輾機(jī)制造工藝，豐富產(chǎn)品類型。應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展擺碾與其他模鍛方法的復(fù)合成形工藝，將冷擺輾工藝推廣用于生產(chǎn)形狀更復(fù)雜且精度要求更高的零件，或體積重量較大，冷鍛力較大，需要大噸位設(shè)備而普通熱模鍛又不能實(shí)現(xiàn)的零件。近幾年，白俄羅斯明斯克拖拉機(jī)廠已經(jīng)生產(chǎn)采用熱鍛制坯加冷擺輾的復(fù)合成形工藝生產(chǎn)直齒錐齒輪，而國(guó)內(nèi)還沒(méi)有此類應(yīng)用。比如，汽車可變螺距轉(zhuǎn)向齒條。此零件目前采用機(jī)加工完成，但齒面及內(nèi)部質(zhì)量不高，若采用冷擺碾成形加工，鍛件質(zhì)量及生產(chǎn)效率會(huì)有明顯提升。

（2）推廣應(yīng)用粉末冶金等其他金屬材料的冷擺碾成形工藝。目前，粉末冶金和雙金屬材料已有用冷擺碾技術(shù)來(lái)加工的，但是其發(fā)展應(yīng)用并不廣泛，現(xiàn)在應(yīng)該進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，開(kāi)發(fā)利用擺輾技術(shù)生產(chǎn)不銹鋼和其他難變形材料零件。這樣可有效提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

（3）深入研究擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡相關(guān)問(wèn)題。應(yīng)著重深入研究擺輾機(jī)擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相關(guān)內(nèi)容。比如擺輾機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡和擺輾機(jī)剛度之間的關(guān)系、不同擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡下的金屬變形特征與力能參數(shù)的關(guān)系，優(yōu)化最佳預(yù)成形件形狀及擺輾成形模具的加工工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、熱處理等影響模具壽命的基本因素，進(jìn)一步掌握擺輾機(jī)擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡與擺輾成形件的成形精度與模具壽命的關(guān)系。進(jìn)而提高擺輾機(jī)模具使用壽命，提高擺輾件質(zhì)量，豐富擺輾件種類。